本研究室では、量子コンピュータ関連基盤技術の開発、ナノ量子デバイス物理、量子情報エレクトロニクスの研究に取り組んでいます。国内外の研究機関と共同研究も推進しています。
社会のシステムが複雑になってきているため、従来のコンピュータでは解けない問題が増加しています。量子コンピュータが実現されれば、解決できると言われています。量子コンピュータは、大学で学ぶ「量子力学」の原理を使った全く新しいコンピュータです。
量子コンピュータの実用化には数十年以上かかると言われていました。しかし、近年、GoogleやNASA、IBM、Intel、Microsoftなどが研究開発に乗り出し、ある種の量子コンピュータは既に使われ始めています。研究開発を進めて性能を高めていくことで、医薬品の効率的な開発、生命現象の解明、医療画像処理、自動車渋滞の解消、宇宙物理のシミュレーション、投資判断、ロボティクス、人工知能への応用などができると期待されています。
従来のコンピュータは、０と１の２進数によるデジタル信号を用いていますが、量子コンピュータでは、０でもあり１でもある量子力学的な重ね合わせ状態を用います。０でもあり１でもある量子力学的な重ね合わせ状態を作り、その状態がノイズなどに乱されてしまう前に、必要なゲート操作を行うことができれば、量子コンピュータの候補となり得ます。超伝導体を用いる量子コンピュータの研究開発が進んでいますが、半導体を用いる量子コンピュータも多くの利点があり、注目されています。
本研究室では、半導体量子コンピュータに繋がる基盤技術という工学的な研究と、関連する物理の解明という基礎学術的な研究の両方を推進したいと思っています。
シリコン量子ドットのRFゲートセンシングに向けたデバイス作製
ゲートセンシングは、量子ドットとゲート間の結合キャパシタンスの変化を利用して近傍のゲートから量子ドットの電荷状態を読み取る手法です。この手法は単電子トランジスタ電荷検出器が不要なのでデバイス構造の簡易化が可能であり、集積化に有利な測定手法として注目されています。また、RF信号を用いて動作させるため、電荷センシングの高感度化が課題となっております。そこで、この課題をデバイス構造の面から解決させて電荷センシングの感度向上を目的とした研究を行っております。
例えば、量子ドット内に電荷を誘起させるためのゲートの面積を従来の数十µm四方から300 nm四方にまで縮小させてデバイス由来の寄生成分を抑えるという改善を行いました。その結果、共振周波数211MHzにおいてゲートからRF信号を印加させてシリコン量子ドットの電荷状態の観測に成功しております。最終的には現状の構造から単電子トランジスタ電荷検出器を取り除いた構造でゲートセンシングを実証し、集積化に向けた量子ドットデバイス構造の設計指針の具体化を目指します。
例えば、量子ドット内に電荷を誘起させるためのゲートの面積を従来の数十µm四方から300 nm四方にまで縮小させてデバイス由来の寄生成分を抑えるという改善を行いました。その結果、共振周波数211MHzにおいてゲートからRF信号を印加させてシリコン量子ドットの電荷状態の観測に成功しております。最終的には現状の構造から単電子トランジスタ電荷検出器を取り除いた構造でゲートセンシングを実証し、集積化に向けた量子ドットデバイス構造の設計指針の具体化を目指します。
rf-SET and rf capacitive gate-based sensing
The operation in quantum computer should be performed at a particular time, which we call integration time.
For this reason, the key parameter for quantum computing is the time. Here you have two options to deal with the time. First, you may have a system where qubit can keep its quantum property for long enough(coherence time). Semiconductor is recognized as the most reliable and industry-compatible platform for Quantum Information as relatively long coherence times( in the order of microsecond for Silicon) could be obtained. I prefer using Silicon for quantum computation. Second, you may have a fast readout technique so that you can readout(encode) qubit state and extract the information. In a semiconductor system, the readout can be done mainly in three ways: 1-Charge sensing technique: A single quantum dot (QD) located nearby double quantum dot (DQD) is used as a charge sensor. Capacitive change is reflected from QDQ is measured via direct current(DC). Although this technique gives reliable results, it is not as a fast measurement as radiofrequency singleelectron transistor (rf-SET) 2-Radiofrequency single-electron transistor: In this technique, a resonant circuit is used to characterize the qubit state by analyzing amplitude and phase of reflected rf signal sent through Source or Drain of a SET. 3Radiofrequency capacitive gate-based sensing: Unlike in the rf-SET technique, rf signal is sent through the top gate of device and change in its phase and amplitude is analyzed, which results in less complexity in device structures. This technique is the most popular one as it is much compatible with integrated and scaled-up systems. I use rf-SET and rf capacitive gate-based sensing methods in my research and, at the same time, investigate to improve them. Since I also have a background in the theory side and theory&experiment should not be separated from each other, I keep doing theory and investigate how to implement theory and experiment sides with each other to find and give a realistic recipe to the community. Preparing large-scale multi-partite entangled states of quantum bits in each physical form such as photons, atoms, or electrons for each specific application area is a fundamental issue in quantum science and technologies. Recently, we proposed setup for the QDQ system for the first time, which can be used to prepare multi-partite spin qubits(Bugu et al., SciRep, 10, 3481(2020). Some other theoretical studies are ongoing.
For this reason, the key parameter for quantum computing is the time. Here you have two options to deal with the time. First, you may have a system where qubit can keep its quantum property for long enough(coherence time). Semiconductor is recognized as the most reliable and industry-compatible platform for Quantum Information as relatively long coherence times( in the order of microsecond for Silicon) could be obtained. I prefer using Silicon for quantum computation. Second, you may have a fast readout technique so that you can readout(encode) qubit state and extract the information. In a semiconductor system, the readout can be done mainly in three ways: 1-Charge sensing technique: A single quantum dot (QD) located nearby double quantum dot (DQD) is used as a charge sensor. Capacitive change is reflected from QDQ is measured via direct current(DC). Although this technique gives reliable results, it is not as a fast measurement as radiofrequency singleelectron transistor (rf-SET) 2-Radiofrequency single-electron transistor: In this technique, a resonant circuit is used to characterize the qubit state by analyzing amplitude and phase of reflected rf signal sent through Source or Drain of a SET. 3Radiofrequency capacitive gate-based sensing: Unlike in the rf-SET technique, rf signal is sent through the top gate of device and change in its phase and amplitude is analyzed, which results in less complexity in device structures. This technique is the most popular one as it is much compatible with integrated and scaled-up systems. I use rf-SET and rf capacitive gate-based sensing methods in my research and, at the same time, investigate to improve them. Since I also have a background in the theory side and theory&experiment should not be separated from each other, I keep doing theory and investigate how to implement theory and experiment sides with each other to find and give a realistic recipe to the community. Preparing large-scale multi-partite entangled states of quantum bits in each physical form such as photons, atoms, or electrons for each specific application area is a fundamental issue in quantum science and technologies. Recently, we proposed setup for the QDQ system for the first time, which can be used to prepare multi-partite spin qubits(Bugu et al., SciRep, 10, 3481(2020). Some other theoretical studies are ongoing.
物理形成p型シリコン量子ドットにおけるホールスピン操作
シリコン中のホールスピンは核スピンとの超微細相互作用が小さく、長いコヒーレンス時間を持つとされています。また強いスピン軌道相互作用を持つため交流電場のみでスピン操作を実現することができ、電子スピン操作に必要な外部構造（マイクロマグネットやマイクロストリップライン）が不要であるという利点があります。このため実用的な量子コンピュータ実現に不可欠な量子ビットの大規模集積化に有利とされています。
本研究ではSOI(Silicon-On-Insulator)基板をエッチングして形成した物理形成量子ドットでのホールスピン操作の実装を目指しています。物理形成量子ドットはドットを形成するゲートが不要で、集積化に適した構造です。また、通常極低温下で動作する量子ドットの高温動作が期待され、冷凍機のサンプルスペースによる集積化の律速問題の解決策になると考えています。
本研究ではSOI(Silicon-On-Insulator)基板をエッチングして形成した物理形成量子ドットでのホールスピン操作の実装を目指しています。物理形成量子ドットはドットを形成するゲートが不要で、集積化に適した構造です。また、通常極低温下で動作する量子ドットの高温動作が期待され、冷凍機のサンプルスペースによる集積化の律速問題の解決策になると考えています。
シリコン３角形３重量子ドットにおけるスピン読み出しに向けた要素技術の開発
量子ビットの集積化に向けてシリコンの多重量子ドット構造が注目を集めています。本研究ではこの集積化に向け、2次元的な集積化の最小単位である、3つの量子ドットを3角形状に結合したデバイス(TQD)をSilicon-on-insulator基板をエッチングすることで物理的に作製し、極低温でスピン読み出しに向けての要素技術の開発を行っています。
スピン量子ビットの読み出しを行うシンプルな方法として、電荷センサ(CS)のDC電流値から近傍の量子ドット(QD)の電子状態を観測する方法があります。本研究では、極低温下に設置したローパスフィルタなどを用いることで電流ノイズを低減し、また、パルス電圧をゲートに印加することで、ドット-リード間における単発のトンネル現象の観測を行いました。まず、任意波形発生装置から十分に緩やかな三角波と階段波を出力し、それぞれ別のサイドゲートに入力した際のCS電流の応答を調べました(Fig. 2 (a))。この結果において定常状態でのQD内の電子数変化(N-1個↔N個)を観測しました。続いて、この電子数変化が起こるようにパルスを印加することで、単発のトンネリング現象を捉えました(Fig. 2 (b, c))。パルスは3段階で構成されており、まず一段目で量子ドットからリードに電子をトンネリングさせ(N-1個)、次に新しい電子をリードからドットにトンネリングし(N個)、最後にQDのトンネリングを読み出します(N-1 or N個)。三段目で電流値が階段状に変化していることから、単発のトンネリングを観測に成功しました。
将来的にコヒーレンス時間内のスピン読み出しを行うことが必要なため、DC電流を用いたスピン読み出しよりも広帯域・高速な測定方法が求められます。このような測定系を実現するため、LC共振回路を量子ドットに結合し、RF波の反射率の変化からセンサの抵抗値の変化を観測するRF-SETという技術の開発がされてきました。本研究では、このRF-SETを物理形成量子ドットで実現しました。印加しているRF波の周波数をLC回路の共振周波数に固定し、ゲート電圧 V_GR1を変化させたときの結果をFig.3に示します。量子ドットに期待されるピーク状の電流値の変化が直流で観測されているが(Fig. 3 (a))、それに対応して反射率も変化していることから(Fig. 3 (b))、RF-SETの実現に成功しました。
今後は、これらの要素技術を組み合わせることで、高速なスピン読み出しを実現し、スピン緩和時間などのような量子ビットの重要なパラメーターの測定を行います。
スピン量子ビットの読み出しを行うシンプルな方法として、電荷センサ(CS)のDC電流値から近傍の量子ドット(QD)の電子状態を観測する方法があります。本研究では、極低温下に設置したローパスフィルタなどを用いることで電流ノイズを低減し、また、パルス電圧をゲートに印加することで、ドット-リード間における単発のトンネル現象の観測を行いました。まず、任意波形発生装置から十分に緩やかな三角波と階段波を出力し、それぞれ別のサイドゲートに入力した際のCS電流の応答を調べました(Fig. 2 (a))。この結果において定常状態でのQD内の電子数変化(N-1個↔N個)を観測しました。続いて、この電子数変化が起こるようにパルスを印加することで、単発のトンネリング現象を捉えました(Fig. 2 (b, c))。パルスは3段階で構成されており、まず一段目で量子ドットからリードに電子をトンネリングさせ(N-1個)、次に新しい電子をリードからドットにトンネリングし(N個)、最後にQDのトンネリングを読み出します(N-1 or N個)。三段目で電流値が階段状に変化していることから、単発のトンネリングを観測に成功しました。
将来的にコヒーレンス時間内のスピン読み出しを行うことが必要なため、DC電流を用いたスピン読み出しよりも広帯域・高速な測定方法が求められます。このような測定系を実現するため、LC共振回路を量子ドットに結合し、RF波の反射率の変化からセンサの抵抗値の変化を観測するRF-SETという技術の開発がされてきました。本研究では、このRF-SETを物理形成量子ドットで実現しました。印加しているRF波の周波数をLC回路の共振周波数に固定し、ゲート電圧 V_GR1を変化させたときの結果をFig.3に示します。量子ドットに期待されるピーク状の電流値の変化が直流で観測されているが(Fig. 3 (a))、それに対応して反射率も変化していることから(Fig. 3 (b))、RF-SETの実現に成功しました。
今後は、これらの要素技術を組み合わせることで、高速なスピン読み出しを実現し、スピン緩和時間などのような量子ビットの重要なパラメーターの測定を行います。
直列３重量子ドットにおける長距離相互作用の研究
量子ドットの大規模集積化に伴い、物理的に離れた位置に存在する量子情報間で効率的な量子操作を行うことが困難になるという問題が生じます。通常量子情報処理に利用される量子ドット間の相互作用はトンネル結合によって実現されるが、このような相互作用は距離に対して指数関数的に減衰するため、最近傍の隣り合った量子ドット間でしか効果がないとされてきました。しかし近年、隣り合っていない量子ドット間での相互作用(長距離相互作用)を示す実験結果が報告されています。
本研究では、シリコン直列３重量子ドットの左右の離れた量子ドットに着目することで、シリコン系における長距離相互作用の研究を行います。
本研究では、シリコン直列３重量子ドットの左右の離れた量子ドットに着目することで、シリコン系における長距離相互作用の研究を行います。
集積に適したシリコン量子ドットデバイス構造の検討
一般的なシリコン量子ドットデバイスは、量子ドットの形成や制御に必要な電極の数が多いため、複数の量子ビットを集積することが困難です。一方、小寺研究室で研究を進めているSOIタイプの物理形成量子ドットデバイスは、量子ドット構造を電極で静電的に形成するのではなく、SOI層に電子ビーム露光を施すことにより物理的に量子ドット構造を形成するため、必要な電極の数を減らすことができます。現在は、このデバイスにおいて電極に電圧を印加した際の静電ポテンシャル分布やキャリア分布のシミュレーションに取り組んでおり、より集積に適したデバイス構造を探求しています。今後は、シミュレーションによる検討結果を元にデバイスの試作や測定も行う予定です。
大規模集積化に向けたNISQ構造の提案
近年NISQ(Noisy Intermediate-Scale Quantum computer)が実用化の観点から注目を集めています。NISQは誤り訂正機能を持たない簡易的な量子コンピュータであるものの、量子科学計算など一部の分野ではその実用化が期待されています。また、将来的な誤り訂正機能付きの量子コンピュータ実現に向けても、量子アルゴリズムやアーキテクチャ研究への活用の観点から注目を集めています。
本研究では理化学研究所樽茶研究室と共同でSi/SiGe量子ドットを二次元集積したNISQ構造の提案を行っています。シリコンスピン量子ビットはqubitの専有面積が小さいため量子コンピュータの実用化に不可欠な大規模集積化に有利とされています。この特徴を生かし更なる集積化・実用化に向けた提案をしたいと考えています。
本研究では理化学研究所樽茶研究室と共同でSi/SiGe量子ドットを二次元集積したNISQ構造の提案を行っています。シリコンスピン量子ビットはqubitの専有面積が小さいため量子コンピュータの実用化に不可欠な大規模集積化に有利とされています。この特徴を生かし更なる集積化・実用化に向けた提案をしたいと考えています。
量子デバイスの制御を目的とした極低温エレクトロニクスに関する研究
スピン量子ドットといった量子デバイスは、熱エネルギーの影響を最小限にするために4 Kやそれ以下の数十mK(ミリケルビン)といった極低温環境に設置されます。通常このような環境下に設置された量子デバイスを駆動させるための信号は、室温部に設置された電圧源等によって生成されます。しかし、室温部からデバイスが存在する極低温部までに信号を伝達するためには室温・極低温部間にケーブルを設置する必要があります。このとき熱エネルギーによるノイズの発生や、デバイスの集積化に伴うケーブル数の増加によって冷凍機への熱流入といった問題が発生します。
そこで本研究ではFPGAのような古典エレクトロニクスを極低温部に設置することで熱雑音の低減や、ケーブル数を抑えたデバイスの制御を目指します。
そこで本研究ではFPGAのような古典エレクトロニクスを極低温部に設置することで熱雑音の低減や、ケーブル数を抑えたデバイスの制御を目指します。
正孔スピン量子ビット集積化に向けたゲルマニウム量子ドットの研究
シリコンなどのⅣ族半導体を用いた量子ドットは核スピンが少ないことからコヒーレンス時間が長く，スピン量子ビットの有力な候補と考えられています。その中でも、ゲルマニウムは重い正孔の有効質量が小さいため顕著な量子効果を示すだけでなく、強いスピン軌道相互作用を持ち、その将来性が期待されています。強いスピン軌道相互作用は交流磁場なしでのスピン操作を可能にするため、簡素な構造で量子ビットが実現できるようになります。本研究では、ゲルマニウム量子ドットの作製・特性評価を繰り返し行うことで高性能な量子ドットを実現し、スピン量子ビットの集積化を目指します。
シリコン系における表面弾性波を用いた単一電子輸送技術の開発
GaAs 系の半導体２次元電子系においては、表面弾性波を用いて離れた２つの量子ドット間で単一電子やそのスピン状態を任意のタイミングで輸送できることが示されています。しかしGaAs 系は核スピンによる超微細相互作用の影響で電子スピンがコヒーレンスを失いやすいという問題点があります。
本研究では、表面弾性波を用いた単一電子輸送技術を将来の量子情報デバイスとして有望なシリコン系で実現することを目指します。
本研究では、表面弾性波を用いた単一電子輸送技術を将来の量子情報デバイスとして有望なシリコン系で実現することを目指します。